动水流速对浆液留核稳定性的影响研究.docx

1、doi：10.11799/ce201810036动水流速对浆液留核稳定性的影响研究李金华，岳鹏举，苏培莉，陈籽涵，段东，孙冠临(西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054)摘要：文章通过有限元数值模拟和室内动水注浆试验，分析了水流速度对单裂隙注浆留核稳定姓的影响。研究结果表明：动水绕流后会产生典型的尾迹流现象，初始流速越大产生的尾迹流越混乱，对留核产生的扰动越大；当初始流速大于等于0.lm/s时，尾迹流呈紊流流态，对留核稳定性影响较大，当初始流速小于0.lm/s时，尾迹流呈层流流态，对留核稳定性影响较小。关键词：动水流速；尾迹流；数值模拟；注浆试验中图分类号：TD265.4文献标识码

2、：A文章编号：1671-0959(2018)10-0154-03InfluenceofdynamicwatervelocityonthestabilityofslurrydepositionzoneLIJinhua,YUEPeng-ju,SUPei-li,CHENZi-han,DUANDong,SUNGuan-lin(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,Xi*anUniversityofScienceandTechnology,Xi'an710054,China)Abstract:Waterflowvelocityisakeyparamete

3、rinthedesignofdynamicwatergrouting,whichisthemainfactoraffectingthegroutingeffectofhydrodynamicwater.Inthispaper,theeffectsofwaterflowvelocityonthestabilityofsingle-fracturegroutingslurrydepositionzoneareanalyzedusingGniteelementnumericalsimulationandindoordynamicwatergroutingtest.Theresultsshowthat

4、thetypicalwakeflowphenomenonoccursafterthemovingwaterflows.Thelargertheinitialflowvelocity,themorechaoticthewakeflowis,andthegreaterthedisturbancetotheslurrydepositionarea.Whentheinitialflowvelocityisgreaterthanorequalto0.lm/s,thewakeflowisinaturbulentflowregimeandhasagreatinfluenceonthestabilityoft

5、heslurrydepositionzone.Whentheinitialflowvelocityislessthan0.lm/s,thewakeflowisinalaminarflowregime,whichhaslittleeffectonthestabilityoftheslurrydepositionzone.Keywords:dynamicwaterflowrate；wakeflow；numericalsimulation;groutingtest煤矿开采中，突水和涌水作为一种常见的水害，严重影响了矿井的安全生产。注浆法作为一项主要防灾手段，具有不剥夺地下水资源，不破坏生态环境的优点

6、，它已经成为煤矿防治此类水害的一种有效手段。水流速度是动水注浆设计中的关键参数，它的设计是否合理，直接影响到动水注浆效果和治理成本。因此进行动水注浆之前.必须弄清楚水流速度与注浆效果(即留核稳定性)之间的规律。目前，有专家学者对煤一岩体裂隙的注浆问题展开了研究。李金华等研究了浆液沉积压力曲线性质，提出了一种注浆效果评价方法。刘嘉材、湛铠瑜、田美霓分别研究了牛顿型浆液的扩散方程。罗平平研究了宾汉浆液在平板和倾斜裂隙中的流动规律。阮文军I”：基于浆液粘度时变性推导注浆扩散方程。谷拴成等研究了壁后注浆压力与堵水效果的关系。张改玲研究水流速度对化学浆液扩散的影响。郭东明等针对聚氨命材料进行了材料性能试

7、验，物仁树等基于自主研发的注浆系统,展开一系列注浆材料的研究。王茂盛等展开了一系列水泥基新型无极注浆材料的试验研究。收稿日期：2018-08-18基金项目：国家自然科学基金资助(51508462)作者简介：李金华(1977)，男，山东滕州人，副教授，主要从事岩石力学方面的教学及研究工作，E-mail：nxljh©o引用格式：李金华，岳鹏举，苏培莉，等.动水流速对浆液留核稳定性的影响研究J.煤炭工程，2018,50(10)；154-156.综上所述，目前关于动水注浆理论和实践的研究尚处于初步发展阶段。本文在总结前人研究成果与成果中的不足后，通过数值模拟和室内试验.重点对动水流速与留核稳

8、定性的联系展开研究c1数值分析抓能距肉/m扩敝耳讷/m(bXM5m、5OO.扩散岫m(dN).3ms在:仃限元软件分析之前,将流场模型设置为宽Im、长2m的距形平而市先模拟浆液在裂隙中的扩敝形态.解扩散规律浆液材料，多相流计算模型选取、'()!.模型,采取隐式计算方法.将动水水流设置为基础相.模拟材料设定水依比为0.X的水泥浆液.注浆压力为0.IMPa.裂隙升度5mm.对动水流速分别为0.Irn/s,0.15mA.0.2ni/s.0.32、时的注浆过程进行模拟.其扩散结果如图1所示山图I可知，图中中间区域发示浆液形成的沉积堵水留核.周边区域代&动水.在中间和周边之间核杂的核浆液

9、受动水影响产生的浆一水分层扩散风.在:动水条件卜浆液的扩散形态在注浆之初为水滴形,随符浆液的不断在入.扩散形态逐渐山水滴形向倒11形转变.并IL沉枳避核越大,能够形成有仃效堵水的X域越大.因此根据此模拟得到的浆液扩散形态在流场中川块米径为().I5m的液圆形X域代表浆液留核的前半段.这样就町以清晰的看到动水绕流后的变化;使川：角形网格对流场进行单元划分.伽核边界处加密好分.这样叩以提高计算精度；流场入II的边界条件定义为速度人II对流速分别为0.Olni/s.0.()5in/s、0.lm/s、0.5m/s.Ini/s、5m/»时的动水绕流进行模拟为了取得度好的模拟结果.迭代采njns

10、on法.设定迭代步数为0000步,步间W>0.01s.得到不同动水流速F.流场内的速度速度勺发图.研究动水水流住绕过件核时速度大小与方向的变化模拟结果小图2(a)(f)所示.诃以看!I；动水初始流速不同.绕流后产牛的IK迹流漩涡.流速和紊流X大小亦不同1不同动水流速下浆液扩散图A7m(e>不同流速下动水绕流的速度流线与云图总结图2可以知道,在注浆孔左侧的浆液逆水扩散区域一动水与浆液的接触面处，动水流速明显减慢.动水在川核左的时流速比较秘定，为层流状态沉积留核将原先的动水流动路径分成上下两个部分.动水受到沉枳御核的阻拦改变流向沿着M核边界流动,因为受沉枳御核的影响，动水水流在绕过物核

11、的过程中.由原先近似内线流线的变为曲线.流动状态也由渐变流向急变流转变.流动路径变窄,所以在沉枳留核的A侧偏注浆孔位置的动水流速明显加快,随若动水流速的增大，该处的流速也随之增大由于刑核的存在.动水在绕过刷核时不论流速大小均会产生尼迹流现象，但.流速越大绕流后流速和流向的变化也随之增大，即传留核产生的扰动越大对图2(f)进行分析.当流速为0.01m/8时.动水绕过引核后速度分布均匀仍能以层流状态继续流动4：御核右侧形成小范围的漩涡,素流区流速范围：0.0010.008m/s.小于初始流速；对图2(d)进行分析.当流速为0.Im/s时，动水在绕过御核后各处速度分布不均匀.呈波浪型流动状态.整体呈

12、紊流状态，素流区流速范IH：0.02-0.I6ni/s,共最大伉已近超过初始流速光流速分别为0.5mA、lm/s和5m/s时.紊流区流速范围分别为0.15-im/sx0.251.8m/s、0.99ni/s.nf以石出初始流速越大动水绕过W核后就会产生扰动越大.流态由层流向素流转变井11影响后面的动水产生摆动的尼流曜流的变化主要取决于流速.而逐诺数的大小反映流速的变化.当宙诺数较小时,扰动在流体粘性控制范围内.被转化成热能消耗掉;当窗诺数较大时.流体粘性无法抑制扰动.就公产牛.流动失稳2室内试验试验采用1*1匕设计的模拟裂隙动水注浆试验平台进行，该乎K由模拟裂隙系统、注浆控制系统、动水水源系统、

13、试我框架系统、数据采集系统、试捡监控系统组成纯水泥浆液在裂隙中的扩散方式大致nlUI为两类:第类是浆液进入裂原之后JF始扩散以注浆孔为中心向外依次是沉枳留核区与浆一水分层扩散X,即水泥浆液在扩敞过程中产生r析水现象;第二类是浆液进入裂隙后以驷替扩敬的模式流动.浆液的沉枳御核区远大F浆一水分层扩散IK无论是哪种扩散万式.沉积留核区始终是注浆堵水的关键区域.通过试验发现沉枳剧核区越大堵水效果越好.究。原因是该处水泥浆液受动水影响较小，沉积解核区内水泥浆液中颗粒容易沉淀ifiifl仃不断地注浆斥力和浆液帮助其扩散.乂因为浆液的黏度、密度均大于水.从而形成K由一定高度具，堵水效果的沉枳解核；浆一水分层

14、扩散是沉积留核区的附带区域.其生成原因是水泥浆液受动水冲刷产生r析水,使水泥颗粒迅速下沉，jfu该区域处f浆液与动水的混ok.浆液与动水间存在流速差.由丁密度的差异.动水将浆液中多余的水分带走.而水泥颗粒沉积于此采用纯水泥浆液,在相同注浆压力(0.IMPa)、水.比(1.0)、开度(5mm)、倾角(0。)的条件下进行,动水流速范围：0.01-0.50m/s.试验结果如下:浆液的扩散形态在注浆之初以桐圆形扩敞,逐步出现浆液的沉积留核区.与浆一水分层扩散【妇随并浆液不断增加.扩散形态渐渐变为水滴形并向U形转变，扩散'K径约为0.19m,其中沉积御核区越大堵水效果越好.但是绕流后的动水对沉枳

15、御核边界冲刷，使留核的稳定性受到影响'，动水初始流速约为().IO3m/s.动水绕过沉枳剧核后.甘州核边缘产生较强的扰动.留核边界呈波浪形分(a)L0.103nVs(b)v=0.02ims图3动水绕流对留核边界扰动图布.如图3(”)所示.较大的动水流速使沉积留核的稳定性卜降.不易获得依好的注浆堵水效果半将初始流速约为0.OZlin/s,动水绕将后并没有使留核产生波浪形的边界.由浆液自身的粘素力,足以抵抗动水绕流后产生的扰动.因此淅核边缘近似为线型,更易任得较好的注浆堵水效果.如图3(1>)所示.3结论木文通过数值模拟段对动水流速Lj留核稳定性间的联系展开研究，并采用室内试验对结果

16、进行验证,主要结论如下：1) 动水流速越大.绕流后的流速和流向变化越大.对所核产生的扰动越大2) 绕流过程中会产生足迹流现象.绕过留核后各处速度分布不均匀.初始流速越大.产生的兄迹流越混乱3) 、，初始流速较小时.浆液自身存在粘聚力,动水对留核产生的扰动较小参考文献：1 宇金华.孙冠临，方;培枕.等.动水注浆沉积HUJ特征勺注浆效果试验研究J.矿业安全勺环保.2017.44(6)：21-24.2 划由材.裂隙注浆扩m*径研究k中国水利水电科学院科学研究论文院.北京:水利水电出版社.1982.3 湛铠瑜.刷旺华.高ft.单裂隙动水注浆扩M模型J.岩土力学.2011.32(6):1659-1663

17、.1689.4：用美慰.砂虑浆液黏度时变性的单装原动水注浆扩散模邸J.爪庆交通大学学报(自然科学版).2011.30(SI)：536-537.669.5：罗平平.李志平.范波.等.倾斜单裂隙宣汉浆液流动模型理论研究J.山东科技大学学报(fl然科学版).2010.29(I)：43-47.6阮文军.注浆扩散。浆液若干基本性能研究J.咒t(：程学报.2005(1):69-73.1.阮文*：.堆卜浆液粘度时变性的宕体裂隙注浆扩做模型JJ.岩石力学与程学报.2005(15)：2709-2714.【8谷拴成.苏培莉.樊志成.等.注浆技术在煤矿加固防渗中的应用J.煤炭I.程.2009.41(4)：60-62.9谷拴成.苏培莉.明金满.等.注浆浆液配方的优化设计与应用J.煤炭科学技尖.20W.37(7)：46-49.10张改玲.湛荒瑜，隋旺华.水流速度对单裂隙化学注浆浆液扩散影响的试羚研究J.